Рис. 2.10. Кругооборот серы
Азот составляет примерно 78 % воздуха атмосферы. Часть его содержится в почве и в воде в виде неорганических соединений (в виде аммонийных солей, а также нитритов и нитратов), а часть – в форме органических соединений, входящих в состав растительных и животных белков, аминокислот. Существует большой кругооборот азота, включающий сушу и атмосферу, частью которого является малый кругооборот (биотический). Общая упрощенная схема кругооборота азота представлена на рис. 2.11.
Рис. 2.11. Кругооборот азота (упрощенно)
Биогеохимический цикл азота с учетом антропогенных факторов рассмотрим подробнее. Азот в свободном виде (в виде N2) недоступен растениям. Для своего роста растения могут использовать лишь соли азотной и азотистой кислот, хуже – аммиачные соединения.
На границе воздушной атмосферы и грунта содержится от 0,02 до 0,056 кг/м3 азота (летом и осенью больше, чем зимой и весной, из-за грозовых разрядов). За год на 1 га в разных частях земли выпадает 2,6-14,3 кг азота. Больше всего азота вблизи больших химических предприятий, связанных с продуктами азота, поэтому в почву в радиусе нескольких километров азотных удобрений не следует вносить.
Как же азот из воздуха попадает в почву в связанном виде? Это возможно благодаря азотофиксирующим бактериям, живущим в грунтах, а также сине-зеленым водорослям в водоемах. Поэтому их значение необычайно велико. Примерами таких бактерий являются аэробные азотобактерии (действуют в присутствии кислорода воздуха), анаэробные клостридиумы Пастера (действуют без доступа О2), клубеньковые бактерии, живущие и функционирующие в корнях-клубнях, в основном бобовых растений. Процесс фиксации таков:
N2 + 3Н2 ® 2NН3 + 615,63 кДж.
(или 2N)
За год эти бактерии могут запасать для растений до 20 –30 кг азота. Затем начинают выполнять свои функции нитрифицирующие бактерии (упрощенно - нитритные и нитратные), окисляющие аммиак (соответственно, до азотистой и азотной кислот):
2NН3 + 3О2 ® 2НNО2 + 2Н2О + 148 ккал;
2НNО2 + О2 ® 2НNО3 + 48 ккал.
Эти кислоты в процессе обменных реакций в грунтовых растворах образуют соли (нитриты и нитраты), которыми питаются растения:
К2СО3 + 2НNО3 ® 2КNО3 + СО2 + Н2О.
(или СаСО3)
Растения используют нитраты для синтеза белковых соединений, которые идут для питания другим живым организмам (например, животным), синтезирующим свои аминокислоты и т.д. Продукты выделения (экскреция) – мочевина и другие, трупы растений и животных подвергаются деструкции и минерализуются сначала до аммиака и аммиачных соединений (аммонификация) под действием бактерий, грибов, дождевых червей и др., и далее до солей азотных кислот, а последние денитрифицирующими бактериями до N2, уходящего в атмосферу (реакция 1). Частью в атмосферу азот удаляется и в виде NН3. Затем начинается новый цикл.
5С6Н12О6 + 24КNО3 ® 30СО2 + 18Н2О + 24КОН + 12N2 + 9388,3 (1)
кДж/моль.
Часть аммиака после аммонификации в почве нитрифицируется бактериями до солей (нитритов и нитратов) и остается в почве для питания растений.
Итак, существуют азотофиксирующие бактерии (азот переводят в NН3), нитрифицирующие (аммиак - в основном, в соли НNО3), а денитрифицирующие разлагают нитратные соли, превращая их в NН3 и даже до N2. Поэтому первые и вторые бактерии обогащают грунт доступными для растений формами азота, а третьи – обедняют грунт азотом.
Более полная схема кругооборота азота представлена на рис.2.12.
Рис. 2.12. Схема биотического кругооборота азота по Р.Риклефсу (1979 г.)
В геологический кругооборот постоянно поступает часть азота в виде различных соединений, частью используемых в сельском хозяйстве в качестве азотных удобрений. Азотсодержащие вещества частью поступают и в реки, благодаря стоку которых выносятся в моря. Часть азота попадает в реки и далее в моря за счет осадков, например, кислотных дождей (содержащих НNО3), из-за выбросов оксидов азота (а также образования оксида азота в атмосфере при грозах). Наибольшее содержание соединений азота в районах впадения рек в моря, наименьшее – в центральных частях океанов. Азотсодержащие соединения используются водорослями для синтеза органических веществ и поступают в кругооборот океана, часть постепенно оседает на дно, потому, вынесение азота с суши не увеличивает его концентрацию в морской воде. Неуправляемая же деятельность людей может привести к сильному загрязнению окружающей среды, что нарушит природный баланс. Тревожные изменения в биосфере уже и сейчас столь заметны. Это цветение рек, чрезмерное размножение сине-зеленых водорослей, ускоряющееся заболачивание природных водоемов, ухудшение качества воды и т.д.
2.6.5. Кругооборот фосфора
Кругооборот фосфора достаточно сложен. Рассмотрим его в упрощенном виде. Фосфор один из наиболее важных биогенных элементов, так как входит в состав нуклеиновых кислот, костной ткани, клеточных мембран, систем переноса энергии (АТФ) и др. Кругооборот фосфора также совершается по большому и малому циклам, но всецело связан с жизнедеятельностью организмов. Фосфор – подвижный элемент, поэтому его кругооборот зависит от множества факторов окружающей среды, а в наше время особенно - от антропогенных. Так, фосфор активно поступает в водные источники в виде моющих средств (детергентов), фосфорных и комбинированных удобрений с полей, отходов промышленности (особенно продуктов переработки фосфорсодержащих минералов – апатитов и фосфоритов) и др. Это приводит к нарушению равновесия в биогенном кругообороте фосфора, представленного на рис. 2.13.
Усвоение фосфора растениями в значительной степени зависит от кислотности почвенного раствора. Так, в воде (в среде близкой к нейтральной) фосфаты натрия, калия, кальция и других металлов слаборастворимы, в щелочной среде (при рН > 7) – практически нерастворимы, а с повышением кислотности постепенно превращаются (рис.2.14) в хорошо растворимые - фосфорную кислоту Н3РО4 и NаН2РО4, относительно растворимую соль Са(Н2РО4)2, которые хорошо усваиваются растениями.
Рис. 2.13. Схема биотического кругооборота фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)
По распространенности в биосфере фосфор не рекордсмен, но многие организмы выработали различные приспособления для улавливания и накопления этого элемента в концентрациях, значительно превышающих его содержание в окружающей среде (особенно в воде).
Увеличение кислотности с уменьшением рН среды ®
Ионная форма: РО43- ® НРО42- ® Н2РО4- ® Н3РО4
¯ ¯ ¯ ¯
соль: Na3РО4 Na2НРО4 NaН2РО4 очень
растворимость: слегка (средняя) средняя хорошо хорошо
растворимость растворимость растворима растворима
соль: Ca3(РО4)2 CaНРО4 Ca(Н2РО4)2
растворимость: нерастворима нерастворима малорастворима
Рис. 2.14. Растворимость фосфора по Р.Риклефсу (1979 г.)
Так, вдоль юго-восточного побережья Америки обитают моллюски (небольшая колония) – биомассой 12 кг на 1 м2. Эти моллюски относятся к типу фильтрантов. Они фильтруют воду, извлекая из нее мелкие организмы и детрит, богатый фосфором и другими элементами в мелководной зоне прилива. Расчет показал, что кругооборот частиц, содержащих фосфор, в этой зоне происходит всего за 2,6 суток. За это время моллюски извлекали фосфор в количествах, соответствующих его среднему содержанию во всех взвешенных частицах. Этот моллюск, являясь второстепенным компонентом прибрежного сообщества (малая пищевая ценность для других живых существ), оказывает громадное значение на кругооборот и удержание ценного фосфора.
Фосфор накапливается в виде соединений на дне океана на небольших глубинах, откуда из-за геологических изменений оказывается в литосфере, а со временем и в верхних слоях литосферы (например, в виде апатитов и фосфоритов). Существуют апатиты и вулканического происхождения.
Часть отложений соединений фосфора остается в осадке в неглубоких водах и включается в повторный кругооборот, посредством диатомей (вид водорослей), которые накапливают фосфор. Отмирая, они являются источниками фосфора.
Кругооборот воды в биосфере будет рассмотрен в разделе "Атмосфера".
3.2. ЛИТОСФЕРА ЗЕМЛИ
Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии (толщина литосферы 50-100 км, хотя некоторые авторы говорят и мощности свыше 100 км).
